МОЩНЫЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАЗЕРЫ С МОДУЛЕМ СУЖЕНИЯ ЛИНИИ ИЗЛУЧЕНИЯ С ГЕЛИЕВОЙ ПРОДУВКОЙ

 МОЩНЫЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАЗЕРЫ С МОДУЛЕМ СУЖЕНИЯ ЛИНИИ ИЗЛУЧЕНИЯ С ГЕЛИЕВОЙ ПРОДУВКОЙ


RU (11) 2250544 (13) C2

(51) 7 H01S3/1055, H01S3/04 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2002117292/28 
(22) Дата подачи заявки: 2000.11.22 
(30) Приоритетные данные: 09/451,407 1999.11.30 US 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2000.11.22 
(43) Дата публикации заявки: 2004.03.10 
(45) Опубликовано: 2005.04.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: US 5095492 A, 10.03.1992. JP 5-167172 A, 02.07.1993. US 3989360 A, 02.11.1979. JP 4-314374 A, 05.11.1992. RU 2046482 C1, 20.10.1994. 
(72) Автор(ы): ПАРТЛО Вилльям Н. (US); СЭНДСТРОМ Ричард Л. (US); ЦИБУЛЬСКИ Рэймонд Ф. (US); ФОМЕНКОВ Игорь В. (US); ЕРШОВ Александр И. (US) 
(73) Патентообладатель(и): САЙМЕР, ИНК. (US) 
(85) Дата соответствия ст.22/39 PCT: 2002.07.01 
(86) Номер и дата международной или региональной заявки: US 00/32295 (22.11.2000) 
(87) Номер и дата международной или региональной публикации: WO 01/41268 (07.06.2001) 
Адрес для переписки: 129010, Москва, ул. Б.Спасская, 25, стр.3, ООО "Юридическая фирма Городисский и Партнеры", пат.пов. Г.Б. Егоровой 

(54) МОЩНЫЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАЗЕРЫ С МОДУЛЕМ СУЖЕНИЯ ЛИНИИ ИЗЛУЧЕНИЯ С ГЕЛИЕВОЙ ПРОДУВКОЙ

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в мощных газоразрядных лазерах с устройствами сужения линии излучения на основе дифракционной решетки. Устройство сужения линии излучения содержит дифракционную решетку, задающую рабочую сторону дифракционной решетки, камеру для вмещения, по меньшей мере, упомянутой дифракционной решетки, источник гелия для обеспечения гелиевой продувки для продувки упомянутой камеры, устройство расширения пучка для расширения пучка из упомянутого лазера, предназначенное, чтобы производить расширенный пучок, поворотное устройство для направления упомянутого расширенного пучка на рабочую сторону дифракционной решетки, для выбора из упомянутого расширенного пучка требуемого диапазона длины волны. При реализации способа регулирования частотной дисперсии лазера поток газообразного гелия направляют на рабочую сторону дифракционной решетки, при этом давление продуваемого газа уменьшают для уменьшения оптических эффектов нагретого газового слоя. Изобретение обеспечивает минимизацию тепловых искажений в лазерах с суженной линией, производящих высокоэнергетические лазерные пучки с высокими частотами повторения. 2 н. и 13 з. п. ф-лы, 12 ил.






ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Область изобретения

Настоящее изобретение относится к лазерам и, в частности, к мощным газоразрядным лазерам с модулем сужения линии излучения, использующим дифракционную решетку.

Описание уровня техники, к которой относится изобретение

Узкополосные газоразрядные лазеры

Ультрафиолетовые газоразрядные лазеры, используемые в качестве источника света для микролитографии интегральных схем, имеют суженную линию излучения. В уровне техники предпочтительно сужение линии излучения осуществляется посредством использования модуля сужения линии излучения с дифракционной решеткой наряду с выходным устройством связи таким образом, чтобы сформировать лазерный селективный резонатор. В таком резонаторе усиливающая среда создается посредством электрического разряда в прокачиваемом лазерном газе, например, таком, как криптон, фтор и неон (для KrF лазера); аргон, фтор и неон (для ArF лазера); или фтор и гелий и/или неон (для F2 лазера).

Способ сужения линии излучения, известный из уровня техники

Схема подобной системы, известной из уровня техники, представлена на фиг.1, взятой из японского патента №2696285. Представленная система включает выходное устройство связи (ВУС) (или переднее зеркало) 4, лазерную разрядную камеру 3, окна 11 разрядной камеры, а также модуль 7 сужения линии излучения с использованием дифракционной решетки. Модуль 7 сужения линии излучения обычно обеспечивается в фотолитографической лазерной системе в виде легко заменяемого модуля и иногда называется "комплексом сужения линии излучения" или для краткости "KCЛ(LNP)". Такой модуль включает две расширяющие пучок призмы 27 и 29, а также дифракционную решетку 16, установленную по схеме Litrow. Дифракционные решетки, используемые в таких системах, являются исключительно чувствительным оптическими элементами и быстро разрушаются под действием ультрафиолетового излучения в присутствии кислорода обычного воздуха. Исходя из этих соображений, оптические элементы модулей сужения линии излучения для фотолитографических лазеров обычно во время работы непрерывно продуваются азотом.

Многие годы разработчики узкополосных лазеров считали, что искажения лазерного пучка могут быть вызваны протеканием газа вблизи рабочей стороны дифракционной решетки. Поэтому разработчики лазеров в прежнее время прикладывали специальные усилия, чтобы удержать продуваемый азот от протекания непосредственно на рабочую сторону дифракционной решетки. Несколько примеров подобных усилий описываются в вышеупомянутом японском патенте №2696285. В примере, изображенном во взятой из патента фиг.1, поток продуваемого газа направлен от газового баллона 44 с азотом к обратной стороне дифракционной решетки 16 через порт 46.

Формула дифракционной решетки

Другой пример эксимерной лазерной системы, известный из уровня техники, использующей дифракционную решетку для селекции спектральной линии, показан на фиг.2. Резонатор лазера образован выходным элементом связи 4 и дифракционной решеткой 16, которая работает в качестве рефлектора и спектрально селективного элемента. Выходной элемент связи 4 отражает часть света обратно в лазер, а другую часть 6, которая является выходным излучением лазера, пропускает. Призмы 8, 10 и 12 формируют расширитель пучка, который расширяет пучок перед его падением на дифракционную решетку. Зеркало 14 используется для направления пучка так, т.е. его распространения по направлению к дифракционной решетке, управляя, таким образом, углом падения. Центральная длина волны лазера обычно перестраивается поворотом этого зеркала 14. Генерация усиления создается в разрядной камере 3.

Дифракционная решетка обеспечивает селекцию длины волны посредством отражения света с различными длинами волн под разными углами. Вследствие этого, только те световые лучи, которые отражаются обратно в лазер, будут усилены лазерной усилительной средой, тогда как остальные световые лучи с отличающимися длинами волн будут потеряны.

Дифракционная решетка в этом примере лазера, известного из уровня техники, работает по так называемой схеме Littrow, когда она отражает свет точно назад. Для такой схемы угол падения (дифракции) и длина волны связаны формулой: 



где - угол падения (дифракции) на дифракционную решетку, m - порядок дифракции, n - показатель преломления газа, а d является периодом дифракционной решетки.

Поскольку экспонирующая линза микролитографии является очень чувствительной к хроматическим аберрациям источника света, необходимо, чтобы лазер генерировал излучение с очень узкой шириной линии спектра. Например, в уровне техники эксимерных лазеров в настоящее время генерируется ширина спектральной линии порядка 0,5 пм, измеренная на уровне половины максимальной интенсивности, а 95% энергии светового излучения сконцентрировано в области порядка 1,5 пм. Новому поколению экспонирующих инструментов микролитографии будут необходимы более жесткие спектральные требования. Кроме того, очень важно, чтобы центральная длина волны лазерного излучения также поддерживалась с высокой степенью точности. На практике необходимо, чтобы центральная длина волны лазерного излучения поддерживалась со стабильностью, лучшей, чем 0,05-0,1 пм. Уровень техники эксимерных лазеров микролитографии не имеет встроенного спектрометра, который мог бы управлять длиной волны лазерного излучения с требуемой точностью. Проблема, однако, заключается в том, что для работы спектрометра, лазер должен генерировать импульсы. Следовательно, когда лазер непрерывно экспонирует пластины, его спектрометр может управлять длиной волны с требуемой точностью. Проблема возникает в случае, когда процесс экспонирования останавливается, например, для смены пластины. Смена пластин может продолжаться минуту или две, и в течение этого времени лазер не должен излучать импульсы. Когда лазер излучает, он производит большое количество теплоты. Когда лазер не излучает, он охлаждается. Такое охлаждение может изменить лазерную длину волны вследствие теплового дрейфа. Одной из возможных причин дрейфа является изменение показателя преломления n газа с изменением температуры согласно приведенному выше уравнению. Такое изменение n будет вызывать изменение длины волны Littrow дифракционной решетки и, следовательно, изменение центральной рабочей длины волны лазера. Следовательно, первые несколько импульсов после того, как лазер возобновит генерацию, часто будут на длинах волн, отличных от тех, что требуются. Если такие импульсы используются для экспонирования пластины, то хроматическая аберрация будет вызывать ухудшение качества изображения. Это, в свою очередь, вызовет снижение выхода годной продукции. Одним из решений проблемы является то, чтобы для экспонирования пластин не использовать эти первые несколько импульсов. Такая процедура может быть выполнена посредством закрывания механического затвора лазера в течение первых импульсов. К сожалению, поскольку закрывание и открывание механического затвора занимает время, оно приведет к снижению производительности. При производстве полупроводников литографические лазеры работают совместно с рядом очень дорогостоящих устройств. Следовательно, даже 1% снижение производительности лазера приведет к существенному росту ценовых показателей.

Увеличенные частоты повторения импульсов

Ультрафиолетовые лазеры с суженной линией излучения, которые в настоящее время используются в производстве интегральных схем, обычно дают порядка 10 мДж в импульсе на частоте повторения порядка 2000 Гц и имеют коэффициент заполнения порядка 20 процентов. Возросшее производство интегральных схем может быть достигнуто при более высоких частотах повторения и больших коэффициентах заполнения. Заявители, а также их научные сотрудники спроектировали и испытали газоразрядный литографический лазер, работающий на частоте 4000 Гц. В настоящее время заявители проводят эксперименты с еще более высокими частотами повторения, а также пытаются минимизировать дрейф центральной длины волны лазера. Заявители столкнулись с трудностями поддержания узкой постоянной спектральной полосы при таких высоких частотах повторения и коэффициентах заполнения.

Существует необходимость в надежных устройствах с суженной линией, а также в технике газоразрядных лазеров, работающих на больших частотах повторения с высокими коэффициентами заполнения.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает гелиевую продувку для устройства сужения линии излучения на основе дифракционной решетки с целью минимизации тепловых искажений в лазерах с суженной линией, которые генерируют высокоэнергетические лазерные пучки с высокими частотами повторения. Заявители показали существенное улучшение в эксплуатационных характеристиках с использованием гелиевой продувки по сравнению с азотной продувкой, известной из уровня техники.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения поток газообразного гелия направляется на рабочую сторону дифракционной решетки. В других вариантах реализации изобретения давление продуваемого газа уменьшается для уменьшения оптических эффектов нагретого газового слоя.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

На фиг.1 представлена первая лазерная система с суженной линией из уровня техники,

На фиг.2 изображена вторая лазерная система с суженной линией из уровня техники,

На фиг.3 представлено неблагоприятное влияние на спектральную полосу нагретого газового слоя, находящегося на рабочей стороне дифракционной решетки, сужающей линию,

На фиг.4А и 4Б представлен предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения,

На фиг.5А представлены кривые ширины линии излучения при различных частотах повторения с продувкой из уровня техники,

На фиг.5В изображены кривые ширины линии излучения при различных частотах повторения согласно настоящему изобретению,

На Фиг.6А, 6Б и 6В представлены альтернативные варианты реализации настоящего изобретения,

На Фиг.7, 8 и 8А-Г изображены комплексы КСЛ, оборудованные для быстрого регулирования с обратной связью,

Фиг.9 иллюстрирует нагревание газового слоя на поверхности дифракционной решетки,

На фиг.10 изображен метод снижения давления продуваемого газа,

На фиг.11 изображен предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения,

На фиг.12 представлен график, сравнивающий азотную продувку с гелиевой продувкой.

Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения

Рабочие характеристики лазера при высокой средней мощности

Эксимерный KrF лазер с суженной линией, известный из уровня техники, работающий на относительно низкой средней мощности, обычно менее 5 Вт, будет формировать лазерный пучок, центрированный на длине волны приблизительно 248 нм с шириной полосы менее 0,6 пм. Лазер может работать с высокой частотой повторения вплоть до 2000 Гц и еще выше до тех пор, пока средняя мощность остается ниже 5 Вт. Обычный фотолитографический эксимерный KrF лазер имеет энергию в импульсе 10 мДж. Следовательно, для сохранения средней мощности - низкой, он должен работать с относительно низким коэффициентом заполнения. Например, он может работать с частотой 2 КГц в пачках по 200 импульсов с паузой между пачками приблизительно 0,45 сек. Такой режим работы будет производить среднюю мощность:



Проблемы, связанные с регулированием ширины полосы, начинают появляться, когда средняя мощность увеличивается. Это происходит, например, когда уменьшается задержка между пачками импульсов. Например, лазер, работающий с такими же пачками по 200 импульсов, но с задержкой между пачками, равной 0,1 сек, будет иметь среднюю мощность:



В случае максимальной мощности лазер работает в непрерывном режиме, что при 2000 Гц и энергии в импульсе 10 мДж эквивалентно средней мощности 20 Вт.

Когда лазерная система, известная из уровня техники, работает с высокой средней мощностью, ширина линии излучения постепенно увеличивается за период времени приблизительно 5-20 минут с начального значения ширины полосы, составляющего менее 0,6 пм, и остается значительно выше 0,6 пм. Такого увеличения ширины линии излучения следует избегать в микролитографических производственных циклах, потому что оно вследствие хроматических изменений проекционных линз приведет к тому, что изображения станут расплываться. Другое важное применение - когда лазер используется для испытания, при высоких коэффициентах заполнения, термических свойств других фотолитографических компонентов, таких как сами проекционные линзы. В таком применении предполагается, что лазер поддерживает свою ширину линии излучения и другие параметры в пределах заданных технических условий в течение длительности испытания.

Резкое увеличение ширины линии излучения можно несколько скорректировать, используя специальное устройство регулирования ширины полосы.

Фиг.2 в общих чертах изображает модуль сужения линии излучения, известный из уровня техники, изготовленный корпорацией Cymer, как часть фотолитографической KrF лазерной системы с суженной линией, включающей такое устройство. Модуль включает три расширяющие пучок призмы 8, 10 и 12, поворотное зеркало 14 и дифракционную решетку 16. Заметим, что продуваемый азот из баллона 44 поступает в модуль на обратную сторону поворотного зеркала 46 для избежания потока продуваемого газа непосредственно на рабочую сторону дифракционной решетки. В этой системе длина волны лазерного пучка 6 регулируется со схемой обратной связи, в которой длина волны пучка измеряется монитором 22, а компьютерный контроллер 24 использует информацию о длине волны таким образом, чтобы настраивать угловое положение поворотного зеркала 14, и тем самым регулировать длину волны до требуемого значения. Устройство 20 регулирования ширины линии излучения используется для механического изгиба дифракционной решетки 16 так, чтобы сделать ее, например, слегка вогнутой. Такое устройство подробно описано в патенте США №5095492, переданном правопреемнику Cymer. Использование такого устройства позволяет несколько снизить ширину полосы, но по-прежнему выходит за рамки заданных технических условий, когда лазер работает при высоких коэффициентах заполнения.

Фиг.3 изображает один из таких примеров, когда ширина линии излучения выходит за рамки заданных технических условий при работе лазера из уровня техники со средней мощностью 20 Вт (непрерывная работа, 10 мДж, 2000 Гц). Также устройство регулирования ширины линии излучения может быть оптимизировано для одного специфического режима действия, но фотолитографические лазеры должны быть способны работать в нескольких разных режимах. Например, типичный рабочий режим мог бы быть таким:

(1) пачка из 600 импульсов с энергией в импульсе 10 мДж с частотой 2000 Гц на протяжении 0,3 сек,

(2) холостой ход 0,3 сек, 

(3) повторяется режим (1) и (2) для 85 пачек, и

(4) холостой ход 9 сек.

Нагретый слой продуваемого газа 

Заявители определили, что плохие рабочие эксплуатационные характеристики при более высоких частотах повторения, как показано на фиг.3, являются результатом развития нагретого слоя азота, который формируется в течение периода приблизительно 5 минут на рабочей стороне дифракционной решетки 48.

Этот горячий газ нагревается поверхностью дифракционной решетки, которая в свою очередь нагревается посредством поглощения части падающего пучка лазерного излучения. Обычно поверхность дифракционной решетки может поглощать почти 15-20% энергии падающего излучения. Температура поверхности дифракционной решетки может подняться на 10-15°С. Такое увеличение температуры является неоднородным, она выше в середине дифракционной решетки и ниже на краях, как показано на фиг.9. Следовательно, воздух на средней части, с передней стороны дифракционной решетки горячее, чем воздух на краях дифракционной решетки. Следовательно, когда лазерный пучок 80 падает на поверхность 86 дифракционной решетки, он проходит через этот пограничный слой 82. Из-за того, что воздух имеет некоторое давление, чем горячее воздух, тем меньше его плотность. Итак, воздух вблизи центра дифракционной решетки является менее плотным, чем воздух вблизи краев. Из-за этого, лазерный пучок 80 будет иметь различные фазовые сдвиги, когда он проходит к средней части дифракционной решетки и краям. Так, исходящий пучок с параллельным волновым фронтом 88 будет иметь искривленный волновой фронт 90, соответствующий расходящемуся пучку. Это происходит даже тогда, когда дифракционная решетка 16 совершенно плоская.

Для устранения этого нагретого слоя азота заявители разработали предпочтительные модификации модуля сужения линии излучения.

Протекание по рабочей стороне дифракционной решетки

Первый предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения изображен на фиг.4А и 4Б. В этом случае продуваемый азот течет со скоростью 2 литра в минуту вверх через отверстия диаметром приблизительно 1 мм, разнесенные на 1/4 дюйма в трубке длиной 10 дюймов с внутренним диаметром 3/8 дюйма, функционирующей как распределитель продуваемого газа. Барьерная пластина 60 и барьерная крышка 62 направляют большую часть потока продуваемого азота в направлении, показанном стрелками на фиг.4Б. Такая компоновка дала превосходные результаты, что показано на графике, на фиг.5. В этом случае увеличение выходной средней мощности с 0,1 Вт до 20 Вт приводит к вариациям в переделах 0,4-0,5 пм. Интересно отметить, что при средней мощности 10 Вт ширина линии излучения оказывается в действительности несколько меньше, чем при 0,1 Вт.

Важно, чтобы поток продуваемого газа на рабочую сторону дифракционной решетки тщательно регулировался для избежания дисторсии, связанной с потоком. Заявители испытали различные скорости потока и определили, что чрезмерный поток может сделать больше вреда, чем пользы. Например, скорость потока 20 литров в минуту дала очень плохие результаты. Предпочтительные скорости потока находятся в диапазоне приблизительно от 0,5 литров в минуту до 10 литров в минуту.

Также важно отметить, что этот продуваемый газ существенно не снижает температуру дифракционной решетки. Дифракционная решетка остается горячей. То, что продуваемый газ делает, так это то, что он скорее непрерывно перемещает воздух с передней стороны дифракционной решетки, так что воздух не успевает нагреваться дифракционной решеткой. Очень маленькие скорости потока и, соответственно, скорость газа предотвращают действие дисторсии воздуха, вызванное самим потоком, на работу лазера.

Другие компоновки продувки 

Существует много потенциальных компоновок, которые могут обеспечить поток газа на рабочую сторону дифракционной решетки, предотвращая формирование теплового слоя, который вызывает проблемы, показанные на фиг.3. Например, вместо маленьких отверстий можно было бы использовать узкую щель шириной приблизительно 0,5 мм, проходящую по длине трубопровода. Также более гладкий поток можно было бы обеспечить со щелью типа сопла, как показано в поперечном сечении на фиг.6А, или щелевые сопла могли бы быть обеспечены как на верху, так и внизу дифракционной решетки, как показано на фиг.6Б. Также поток на рабочую сторону дифракционной решетки может быть обеспечен с очень маленьким вентилятором в полузамкнутой системе, как показано на фиг.6В. В этом случае регулярная азотная продувка может быть обеспечена как в известном уровне техники, как показано на фиг.2. В варианте реализации изобретения, изображенном на фиг.6В, полость между дифракционной решеткой и барьером не герметизируется, и продуваемый газ имеет возможность циркулировать в полость и из нее, как показано номерами позиций 64 и 66. Трубки 68, ведущие к вентилятору 70 и от него, соединяются вблизи центра прорезанных труб 72 и 74, которые находятся как раз над и под самым горячим участком дифракционной решетки 16.

Сниженное давление газа

Второе решение проблемы нагретых слоев газа заключается в снижении давления газа в комплексе сужения линии излучения.

Конвекция газа пространственно модулирует плотность газа, вызывая неоднородное распределение показателя преломления, что в свою очередь вызывает аберрацию фазового фронта. Величина любой аберрации, вызванной флюктуациями плотности газа, которые обусловлены конвекцией газа вблизи нагретой поверхности дифракционной решетки, приблизительно линейно зависит от номинального значения восприимчивости или показателя преломления и, таким образом, от плотности газа.

Конвекционное охлаждение поверхности дифракционной решетки и других оптических компонентов существенно не снижается до тех пор, пока средняя длина свободного пробега молекул газа не меньше расстояний между "горячими" и "холодными" поверхностями в КСЛ. Если предположить, что эти расстояния приблизительно равны 10 см, то в качестве грубого эмпирического приближения можно было бы сказать, что давление газа не обязательно снижать ниже давления, при котором средняя длина свободного пробега составляет приблизительно 10 см. Такое давление лежит в диапазоне приблизительно от 1 до 10 миллибар, так что плотность газа в КСЛ составляет приблизительно от 0,1 до 1,0 процента плотности при атмосферных условиях.

Фиг.10 изображает эскиз, показывающий систему для поддержания управляемого давления в КСЛ на уровне приблизительно от 1 до 10 миллибар. Азот поступает в герметизированный КСЛ 7 через форсунку 90. Для создания вакуума в КСЛ используется вакуумный насос, и требуемый вакуум поддерживается котроллером 94, использующим сигнал обратной связи из датчика 96 давления к распределительному игольчатому клапану 98. Поскольку КСЛ является герметизированной системой, и давление приблизительно находится в равновесии, датчик 96 может быть термопарой.

Продувка с гелием

Другое решение, связанное с уменьшением эффекта горячего слоя, заключается в продувании КСЛ гелием. Гелий имеет меньший дифференциальный показатель преломления, так что горячий слой будет вызывать меньшую дисторсию. Кроме того, гелий имеет намного лучшие свойства теплопереноса, чем азот. С некоторыми преимуществами можно также использовать аргон. Однако гелий намного дороже, чем азот.

Уравнение для длины волны Littrow (см. уравнение в разделе описания уровня техники) потенциально имеет два члена, которые могут изменяться с температурой, d (период дифракционной решетки) и n (показатель преломления газа). В известном уровне техники микролитографические эксимерные лазеры обычно имеют дифракционную решетку типа эшеллета. Подложку такой дифракционной решетки обычно изготавливают из материала с очень низким тепловым расширением, такого как стекло марки ULE с нулевым тепловым расширением, изготавливаемое фирмой Corning. Коэффициент теплового расширения (СТЕ, КТР) такого материала очень мал, обычно порядка 10-8 1/С°, следовательно, изменения периода d очень малы. С другой стороны, показатель преломления n газа имеет зависимость от температуры, которая описывается следующим уравнением:



где Т - температура в °С, k - коэффициент пропорциональности. Для азота и для света на длине волны 248 нм: k=3·10 -4. Следовательно, для азота мы имеем n=1·10 -6, для T=1°С. Согласно уравнению (1) такая разность n приведет к =0,25 пм (на 1°С) для света с длиной волны 193 нм. Это очень сильная температурная зависимость, что означает, что если мы хотим, чтобы дрейф был менее 0,05 пм, температура газа в КСЛ должна поддерживаться с точностью, лучшей, чем 0,2 градуса Цельсия. Технически это очень трудная задача.

Лазер согласно предпочтительному варианту реализации изобретения изображен на фиг.11. В этом лазере расширяющие пучок призмы 8, 10 и 12, зеркало 14, а также дифракционная решетка 16 помещены в плотно герметизированный корпус 34. Корпус имеет один вход и один выход для газа. Этот корпус заполняется гелием. На пути пучка 20 в корпусе герметично располагается окно 30. Вблизи окна 30 размещается апертура 36. Входной порт представляет собой длинную тонкую трубку для предотвращения обратной диффузии молекул воздуха.

Для гелия коэффициент k равен приблизительно k=3,8·10-5 или приблизительно в 8 раз меньше, чем таковой для азота. Следовательно, для гелия мы имеем n=1,25·10 -7, для T=1°С. Согласно уравнению (1) такая разность n приведет к =0,03 пм (на 1°С) для света с длиной волны 248 нм и приблизительно 0,025 пм (на 1°С) для света с длиной волны 193 нм. Теперь мы можем поддерживать температуру внутри КСЛ в пределах 2 градусов, что представляет намного лучше управляемую проблему. Действительно, тепловая масса комплекса КСЛ, который в предпочтительном варианте воплощения весит приблизительно 5-10 фунтов, является достаточной, чтобы удерживать температуру в пределах этого диапазона в течение нескольких минут. Из-за того что гелий имеет очень отличающиеся свойства от азота и воздуха, корпус КСЛ должен очень хорошо герметизироваться и должен иметь один входной порт для газа, а также один или более выходных портов для продуваемого гелия. Выходной порт должен иметь длинную гибкую трубку, прикрепленную к нему для предотвращения обратного потока наружного воздуха в КСЛ.

Фиг.12 изображает сравнение дрейфов центральной линии, измеренных для азотной и гелиевой продувки комплексов КСЛ.

Специалистам должно быть понятно, что в дополнение к вышеописанным специфическим вариантам реализации настоящего изобретения, имеется много других вариантов реализации, способных справляться с дисторсиями, вызванными слоем нагретого газа. Другой метод обращения со слоем нагретого газа состоит в обеспечении активного регулирования ширины линии излучения с целью корректировки неблагоприятных эффектов слоя нагретого газа. Методы для существенного регулирования в реальном масштабе времени нескольких параметров длины волны описаны в патентном описании США №09/390579, поданном 3 сентября 1999, и в патентном описании США №09/703317, поданном 31 октября 2000, которые включены здесь ссылкой. Эти методы включают быстрое регулирование с обратной связью положения расширяющих пучок призм, кривизны дифракционной решетки и положения поворотного зеркала. Также обеспечивается управление положением лазерной разрядной камеры. Фиг.7 изображает объединенную блок-схему - схематический чертеж всей лазерной системы, а фиг.8А и 8Б изображают чертежи КСЛ с добавленными особенностями - регулирования с обратной связью. В варианте реализации согласно фиг.8 кривизна дифракционной решетки регулируется шаговым двигателем (ШД) 30 регулирования кривизны дифракционной решетки с целью компенсирования дисторсии, вызванной слоем нагретого газа на рабочей стороне дифракционной решетки. В варианте реализации согласно фиг.8А-8Г кривизна дифракционной решетки 82 регулируется семью пьезоэлектрическими приборами 86, воздействующими через семь инваровых стержней 84, расположенных напротив тыльного блока 88 и сжимающей пружины 90. Такой вариант реализации обеспечивает очень быструю настройку кривизны рабочей стороны дифракционной решетки.

Рамки настоящего изобретения должны определяться приложенной формулой изобретения, а также ее эквивалентами.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Устройство сужения линии излучения с использованием дифракционной решетки для сужения линии излучения лазера, формирующего лазерные пучки высокой энергии, содержащее (A) дифракционную решетку, задающую рабочую сторону дифракционной решетки, (B) камеру для вмещения, по меньшей мере, упомянутой дифракционной решетки, (C) источник гелия для обеспечения гелиевой продувки для продувки упомянутой камеры, (D) устройство расширения пучка для расширения пучка из упомянутого лазера, предназначенное, чтобы производить расширенный пучок, (Е) поворотное устройство для направления упомянутого расширенного пучка на рабочую сторону дифракционной решетки, для выбора из упомянутого расширенного пучка требуемого диапазона длин волны, в котором упомянутый расширенный пучок обеспечивает нагревание упомянутой рабочей стороны дифракционной решетки, производя повышение температуры на упомянутой рабочей стороне дифракционной решетки, что, в свою очередь, нагревает продуваемый гелиевый газ в слое нагретого продуваемого газа, смежного с упомянутой рабочей стороной дифракционной решетки, и дополнительно содержит трубопровод продуваемого газа для направления продуваемого гелиевого газа по рабочей стороне дифракционной решетки для отвода упомянутого слоя продуваемого газа, для снижения оптической дисторсии, вызванной упомянутым слоем нагретого продуваемого газа.

2. Устройство по п.1, в котором упомянутый трубопровод продуваемого газа содержит устройство управления потоком газа продувки дифракционной решетки для управления потоком газа на рабочей стороне дифракционной решетки.

3. Устройство по п.2, в котором упомянутое устройство управления потоком продуваемого газа содержит структуры, задающие траекторию потока на упомянутую рабочую сторону дифракционной решетки и затем от упомянутой рабочей стороны дифракционной решетки.

4. Устройство по п.1, в котором упомянутый трубопровод продуваемого газа содержит, по меньшей мере, одну длинную узкую щель.

5. Устройство по п.4, в котором упомянутая щель представляет собой протяженное прямоугольное сопло.

6. Устройство по п.1, в котором упомянутый поток продуваемого газообразного гелия по упомянутому трубопроводу имеет скорость менее 20 л/мин.

7. Устройство по п.1, в котором упомянутый поток продуваемого газообразного гелия имеет скорость приблизительно 2 л/мин.

8. Устройство по п.1, в котором дополнительно содержится вакуумный насос для создания вакуума в упомянутой камере.

9. Устройство по п.10, в котором упомянутый вакуум имеет давление приблизительно от 1 до 10 мбар. 

10. Устройство по п.8, в котором упомянутый вакуум выбирается так, чтобы молекулы газа внутри упомянутой камеры имели среднюю длину свободного пробега от 5 до 30 см.

11. Устройство по п.1, в котором дополнительно содержится блок регулирования, включающий обратную связь кривизны дифракционной решетки, предназначенный для обеспечения активного регулирования кривизны упомянутой рабочей стороны дифракционной решетки.

12. Устройство по п.1, в котором дополнительно содержится вентилятор и по меньшей мере один трубопровод, конфигурированный для нагнетания потока газообразного гелия на рабочую сторону дифракционной решетки.

13. Способ регулирования частотной дисторсии узкополосного газоразрядного лазера, имеющего модуль сужения линии излучения на основе дифракционной решетки, задающей рабочую сторону дифракционной решетки, способ, который содержит этапы, на которых расширенный пучок излучения обеспечивает нагревание упомянутой рабочей стороны дифракционной решетки, производя повышение температуры на упомянутой рабочей стороне дифракционной решетки, что, в свою очередь, нагревает продуваемый гелиевый газ в слое нагретого продуваемого газа, смежного с упомянутой рабочей стороной дифракционной решетки, и содержащий этап нагнетания потока газа от трубопровода продуваемого газа для направления продуваемого гелиевого газа по рабочей стороне дифракционной решетки для отвода упомянутого слоя продуваемого газа, для снижения оптической дисторсии, вызванной упомянутым слоем нагретого продуваемого газа.

14. Способ по п.13, в котором упомянутый поток газа имеет скорость менее 20 л/мин. 

15. Способ по п.14, в котором упомянутый поток газа имеет скорость между 1 и 8 л/мин.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru